Fe-Ni-Co-Ti和Au-Cu-Al合金的相變與組織調(diào)控.pdf

1、形狀記憶合金中母相狀態(tài)對馬氏體相變特征，包括馬氏體相變溫度、組織形態(tài)及熱滯的影響，一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。本文分別對具有優(yōu)良形狀記憶效應(yīng)和潛在的磁控形狀記憶效應(yīng)的Fe-Ni-Co-Ti合金與兼具形狀記憶效應(yīng)和“斯斑效應(yīng)”的Au-Cu-Al合金中存在的相變序列展開研究。第一部分分析了Fe-Ni-Co-Ti合金馬氏體形態(tài)控制機(jī)制、沉淀相變及其對馬氏體相變的影響機(jī)制，并探討了磁控形狀記憶效應(yīng)的可行性；第二部分表征并分析了Au-Cu-A1合金母相

2、的有序轉(zhuǎn)變機(jī)制、Au-Cu-Al合金母相有序狀態(tài)（有序類型、有序程度）對馬氏體相變的影響機(jī)制。主要獲得以下研究結(jié)果：
　　 第一部分 Fe-Ni-Co-Ti合金的相變與組織調(diào)控
　　 獲得薄片狀孿晶結(jié)構(gòu)馬氏體是優(yōu)化形狀記憶效應(yīng)和開發(fā)磁控形狀記憶效應(yīng)的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)4種不同成分Fe-Ni-Co-Ti合金，觀察其在600℃時效處理下馬氏體形態(tài)的演變規(guī)律，研究馬氏體形態(tài)控制機(jī)制。高的基體強(qiáng)度和低的相變溫度有助于薄片馬氏體的形成

3、，反之則容易形成透鏡狀馬氏體。對于Fe-Ni-Co-Ti合金，Ni元素含量的提高能有效降低馬氏體相變(Ms)溫度，促使馬氏體形態(tài)由透鏡狀向薄片狀演變。時效析出沉淀一方面提高M(jìn)s溫度，另一方面，沉淀相又能強(qiáng)化合金的基體。因此，沉淀對馬氏體形態(tài)的影響是以上兩者的競爭，通過工藝優(yōu)化得到完全孿晶的薄片馬氏體。本文通過實(shí)驗(yàn)并綜合文獻(xiàn)結(jié)果，給出了得到薄片馬氏體的工藝參數(shù)。
　　 沉淀相狀態(tài)對Fe-Ni-Co-Ti合金馬氏體相變溫度和形態(tài)的影

4、響十分顯著。本文用電阻法對Fe-31.88Ni-10.63Co-3.83Ti合金等溫時效過程的沉淀相變動力學(xué)進(jìn)行了研究。根據(jù)JMA方程計(jì)算了沉淀相形核長大過程中的各項(xiàng)參數(shù)，得到了沉淀相對析出量與時效溫度、時間的關(guān)系，討論了不同溫度下Fe-Ni-Co-Ti合金沉淀相變機(jī)制。用TEM表征了該合金在600℃時效時，沉淀尺寸隨時效時間的演化過程，發(fā)現(xiàn)沉淀粗化過程符合經(jīng)典動力學(xué)方程，可描述為：r=[9.53+0.801(t-80)]1/3。表征了

5、Fe-Ni-Co-Ti合金時效過程中馬氏體相變溫度(Ms)變化規(guī)律，從沉淀引起的基體成分變化、共格沉淀對基體的強(qiáng)化作用和相變前后沉淀周圍共格應(yīng)力場的變化三個方面，討論了沉淀相對馬氏體相變溫度的影響機(jī)制。
　　 本文還對Fe-Ni-Co-Ti單晶潛在的磁控形狀記憶效應(yīng)，即磁場誘發(fā)馬氏體孿晶變體重排的可能性進(jìn)行了探索。用光學(xué)式區(qū)域熔融法成功生長Fe-Ni-Co-Ti單晶，通過EBSD電子背散射技術(shù)和X射線衍射法標(biāo)定單晶的位向，切割得

6、到軸向平行于[001]p位向的單晶塊體。Fe-Ni-Co-Ti單晶熱處理后獲得孿晶結(jié)構(gòu)馬氏體，在PPMS中測試單晶合金磁場下的應(yīng)變。在4.2K處，7T磁場下得到最大應(yīng)變量約為0.05％，且應(yīng)變隨磁場降低而回復(fù)。分析認(rèn)為，F(xiàn)e-Ni-Co-Ti單晶磁致應(yīng)變來自于磁場下磁疇自發(fā)形態(tài)變化誘發(fā)強(qiáng)磁體的體積和長度發(fā)生改變，而不是磁場誘發(fā)下的馬氏體孿晶變體重排。通過相關(guān)模型和實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算分析了Fe-Ni-Co-Ti單晶磁場誘發(fā)孿晶變體遷動的可能性。

7、分析發(fā)現(xiàn)，7T外磁場對Fe-Ni-Co-Ti單晶合金馬氏體孿晶界面的驅(qū)動剪切應(yīng)力約為τmagm=0.69MPa，遠(yuǎn)小于孿晶界面遷動所需臨界應(yīng)力τteq(>15Mpa)，因此，磁場難以實(shí)現(xiàn)馬氏體孿晶的遷動，其原因在于孿晶遷移所需臨界應(yīng)力太高。Fe-Ni-Co-Ti合金的沉淀相對孿晶偏位錯的阻礙作用可能是孿晶難以遷移的主要原因之一。
　　 第二部分 Au7Cu5Al4合金的相變與組織調(diào)控
　　 用熱分析、電阻法和內(nèi)耗技術(shù)，結(jié)

8、合原位X射線衍射，對Au7Cu5Al4合金降溫過程中A2→B2→L21有序轉(zhuǎn)變進(jìn)行了表征，得到各有序轉(zhuǎn)變的臨界轉(zhuǎn)變溫度，并分析了有序轉(zhuǎn)變的機(jī)制：A2→B2和B2→L21有序轉(zhuǎn)變分別具有一級相變和二級相變的特征。表征和分析淬火亞穩(wěn)態(tài)的Au7Cu5Al4合金相變過程，在升溫過程中，有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程為：A2+部分B2有序結(jié)構(gòu)（淬火態(tài)）→亞穩(wěn)態(tài)DO3有序結(jié)構(gòu)(171.6℃～281.3℃)→A2+B2(L21)有序結(jié)構(gòu)→A2無序結(jié)構(gòu)(615℃以

9、上)。在200℃時效時的有序轉(zhuǎn)變過程為：A2+部分B2有序結(jié)構(gòu)（淬火態(tài)）→亞穩(wěn)態(tài)的DO3有序結(jié)構(gòu)→穩(wěn)態(tài)的L21有序結(jié)構(gòu)，并用空位擴(kuò)散理論初步分析了有序轉(zhuǎn)變機(jī)制。
　　 表征了Au7Cu5Al4合金母相處于不同有序狀態(tài)下時馬氏體相變溫度變化規(guī)律，并得到以下結(jié)論：當(dāng)合金母相分別為A2，B2，DO3，L21有序結(jié)構(gòu)時，其Ms溫度分別為0℃，-15℃，-35℃，20℃，不同的母相有序結(jié)構(gòu)對應(yīng)的馬氏體相變溫度差異達(dá)到55℃。通過原位XRD

10、技術(shù)研究了L21有序程度對馬氏體相變溫度的影響，隨著其L21有序程度的提高，馬氏體相變溫度逐漸降低。從熱力學(xué)角度分別分析討論了有序類型和有序程度對馬氏體相變的影響機(jī)制，理論分析結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。
　　 觀察并分析了冷卻速度對馬氏體形態(tài)的影響。對比觀察淬火態(tài)（680℃水淬）和緩冷態(tài)的Au7Cu5Al4的馬氏體形態(tài)，發(fā)現(xiàn)前者的馬氏體浮凸層片更為粗大，并且極不均勻。原因是淬火合金內(nèi)部儲存了較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致馬氏體相變非均勻形核，促使